计算机控制技术课程设计-数字液压计的设计.doc

计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表成绩评定表 设计课题设计课题 ： 数字液压计的设计数字液压计的设计 学院名称学院名称 ： 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 2011.6.272011.7.2 指导教师意见： 成绩: 签名： 2011 年 7 月 日 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表成绩评定表 设计课题设计课题 ： 数字液压计的设计数字液压计的设计 学院名称学院名称 ： 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 2011.6.272011.7.2 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目数字气压计设计 课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师 主要内容主要内容 通过气压传感器 MPX4115 获得与大气压相对应的模拟电压值,并 经过电压/频率(V/F)转换模块转换为数字脉冲,通过单片机接收该脉 冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关 系式计算出所对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由 LCD 显 示电路显示出实际气压值。 任务要求任务要求 第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。 第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论 证，画出方框图，并简述工作原理。 第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图， 元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。 第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理 流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 5000 字。 主要参主要参 考资料考资料 1 赵建领51 单片机开发与应用技术详解北京：电子工业出版社， 2009 2 熊静琪计算机控制技术北京：电子工业出版社，2003 3 高金源计算机控制技术北京：北京航空航天大学出版社， 2001 4 张晋格计算机控制原理与应用北京：电子工业出版社，1995 审查意见审查意见 系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 年年 月月 日日 I 目录目录 引言引言1 1 1.1 课题背景 1 1.2 系统功能 1 2 2 总体设计总体设计方方案案 1 1 2.1 设计整体思想 1 2.2 系统组成框图及工作原理 2 2.21 系统组成框图2 2.22 工作原理：2 2.3 方案设计 3 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 3 3.1 系统设备选型 3 3.11 芯片 78L05 3 3.12 气压传感器 MPX4115 4 3.13 LM331 转换芯片4 3.14AT89C52 单片机.4 3.15 显示5 3.2 部分系统硬件电路设计 5 3.21 电源模块的原理图5 3.22 气压传感器原理图 .5 3.23 V/F 转换电路原理图6 3.24 显示电路6 4 4 软件设计软件设计 7 7 4.1 单片机实现数字气压计的程序流程 7 4.2 静态显示子程序流程图 8 5 5 总结总结9 9 附录附录1010 系统总原理图系统总原理图1010 参参 考考 文文 献献1111 0 引言引言 1.1 课题背景课题背景 气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电 压信号，然后再经过后续电路处理并进行实时显示的一种设备。其中的核心元 件 就是气压传感器，它在监视压力大小、控制压力变化以及物理参量的测量等 方面起着重要作用。运用于气压计的气压传感器基本都是依靠不同高度时的气 压变化来获 取气压值的。 气象学研究表明，在垂直方向上气压随高度增加而降低。例如在低层，每 上升气压便降低；在的高空，高度每增加 ，气压便会降低；而当高度进一步增加时，即到 的高空之后，高度每增加，气压便会降低；同 样，若空气中有下降 气流时，气压会增加；若空气中有上升气流时，作用于空 气柱底部的气压就会减小。一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压 力。 1.2 系统功能系统功能 该方法通过气压传感器获得与大气压相对应的模拟电压值，并经过 VF 变 换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应的气压值。用本文所述的方法制 成的气压计携带方便，操作简单，精确度高，完全符合设计要求。 2 总体设计方案总体设计方案 2.1 设计整体思想设计整体思想 基于 MPX4115 的数字气压计包括软硬件的设计与调试。软件部分通过对 C 语言的学习和对单片机知识的了解，根据系统的特点编写出单片机程序。硬件 1 部分分为四大块，包括大气压的非电信号数据的采集、转换、处理以及显示。 通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。 2.2 系统组成框图及工作原理系统组成框图及工作原理 2.212.21 系统组成框图系统组成框图 气压计硬件部分由四部分构成，它们分别是：信息采集模块，数据转换模 块， 信息处理模块和数据显示模块。图 2.1 为系统总框图。 气 压 传 感 器 单 片 机 V/F 传 感 器 LED 显 示 电 源 模 块 图 2.21 系统总框图 2 2.222.22 工作原理工作原理 气压传感器将被测气压转换为电压信号；用转换器则可把气压传感 器输出的电压信号转换成具有一定 频率的脉冲信号；以便用单片机接收该脉冲 信号，并根据单位时间内得到的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出 所对应的气压值，最后在单片机控制下由 显示出来。 本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。需要说明 的是，其测量值是绝对气压值。本文研究的气压计的技术指标如下： 测量范围：； 测量精度：()； 显示精度：，由个段显示实现； 工作温度范围：； 电源电压：15V 2.32.3 方案设计方案设计 被测气压经过传感器转换成电压输出，根据芯片资料，算出输出电压与大 气压的关系：VOUT=5*（0.01P-0.09） 输出电压经过 V/F 转换电路转变为对应电压 fo 的脉冲序列 FO。根据 Vin 和 FO 的对应关系可得：P=(fo/5k+0.09)/0.01=(20fo/k+9) 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 系统设备选型系统设备选型 3.113.11 芯片芯片 78L0578L05 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应 用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不 用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能 输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最 3 大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同 一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的 余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 3.123.12 气压传感器气压传感器 MPX4115MPX4115 气压传感器在气压计中占据核心位置。设计时可根据测量精度、测量范围、 温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。由于该气压计 显示的是绝对气压值，因而需要选取测量绝对气压值的气压传感器。同时为了 简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求该气压传感器应带有温度补偿。为 此，选用的气压传感器来测量绝对气压值。 该传感器的温度补偿范围为；压力范围为 ；输出电压信号（）范围为 ；测量精度为，同时在 时具有良好的线性，具体输出关系如下： ( )± 式中，是工作电压, 是大气压值，为输出电压。 3.133.13 LM331LM331 转换芯片转换芯片 LM331 是性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度 V/F 转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。 3.14AT89C523.14AT89C52 单片机单片机 AT89C52 单片机最为核心的部分是中央处理器 CPU，它由运算器和控制逻辑 构成，其中包括若干特殊功能寄存器。AT89C52 是一款低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易 失性存储技术生产， 兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器 4 （CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C52 单片机可为您提供许多高性价 比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。本设计中选用 AT89C52 单片机来 实现 3.153.15 显示显示 系统选用 LED 对所处理的结果进行显示 3.23.2 部分系统硬件电路设计部分系统硬件电路设计 3.213.21 电源模块的原理图电源模块的原理图 电路中的电源部分如图 3.21 所示。其中，3 脚是电源模块输入端接外部 +15V 电源。1 脚为电源模块输出端，输出+5V。 图 3.21 3.223.22 气压传感器原理图气压传感器原理图 数据采集模块由气压传感器 MPX4115 构成，采集的是大气压值。连接原理 图如图 3.22 +5V VIN 100.0 3 4 5 621 M1 MPX4115 R5 51k C7 50pF C1 1nF +15V +5V VI 3 VO 1 GND 2 U4 78L05 C4 10uFC5 0.01uF 5 图 3.22 3.233.23 V/FV/F 转换电路原理图转换电路原理图 LM331 构成的 V/F 转换器的电路。其中图中的 7 号引脚 Vin 是数据转换模 块的数据输入端，接到上一个数据采集模块的输出端。而 3 号引脚 F0 是数据转 换模块的输出端。原理图如图 3.22 图 3.22 3.243.24 显示电路显示电路 本设计采用四位七段数码显示管，实行静态显示。共使用 2 片 74hs373 寄 存器。U2 进行段选，U3 用于位选。作为 LED 的上拉电阻。电路图 3.24. FO +5V +5V XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U2 74LS373 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U3 74LS373 FO +5V +15v VIN CMIN 7 THR 6 R-C 5 IOUT 1 REFI 2 FOUT 3 GND 4 VCC 8 U2 LM331 R4 10k R222K R312K RL 100K CL1uF RIN100k CT 0.01uF CIN 0.1uF RT 6.8k 6 图 3.24 4 4 软件设计软件设计 4.14.1 单片机实现数字气压计的程序流程单片机实现数字气压计的程序流程 为定时器，基本的定时时基为。为计数器，运用内部中 断可保证定时满 后就读取此时计数器的值，以计算气压值。 具体流程图如图 4.1 所示。 7 开始 设置定时器0 设置计时器1 While（1） 50ms定时中断 ETO=0；timecount+ Flag=1？TR1；Flag=0； 计算器压值 调用显示函数 TR=0;TR1=1 图 4.1 4.24.2 静态显示子程序流程图静态显示子程序流程图 当调用显示子程序时，在显示函数里，将气压值先按位进行分离并保存到 数组，然后送段码和相应位选就可以显示出相应的气压值了。如图 4.2 8 静态显示子程序 显示缓冲区首地址 指向最左边的一位 取出要显示的数据 求要显示数据的现实码 送段选到74LS373（u2） 送位选码到74LS373（u3） 延时1ms 返回 图 4.2 9 5 5 总结总结 一周的课程设计终于结束了，虽然很忙碌、很疲劳，但是收获很大。这次 我用单片机 AT89C51 作为控制器，来设计数字气压计。每天的努力，唤来了我 对课程设计的重新的认识，对 51 单片机和控制系统的深刻理解，实现了真正实 践的目的。在理论学习的过程中，我只是简单地学到了一些理论知识，但是在 实际的设计过程中才发现理论与实际的巨大差别。在课堂上，掌握的仅仅是专 业基础课的理论，如何去锻炼我们的实践的一面？如何把我们所学到的专业基 础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的设计就为我们提供了良好的实践平 台。在做本次设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料了。为了让我 的设计更加完善，更加符合标准，一次次翻阅书籍是十分必要的，同时也是必 不可少的。在学习理论知识的同时也要参加实践活动，把课本上的知识运动到 社会实践当中去，也是我们学习专业理论知识的最终目的。 但对于我来说，收获最大的算是方法和能力，分析和解决问题的能力。在 整个课程设计的过程中，我发现在经验方面还是有点缺乏，理论的知识不足， 有些东西与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我的帮 助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自 身的不足，以待改进！ 本次设计的数字气压计能够实时的现实测量值，精度高，耗能低，工作可 靠。不足之处为测量的温度范围过窄，不能用于温度过高的场合。 10 附录附录 系统总原理图系统总原理图 把各个模块连接起来，构成气压计系统原理图，如图附 1 FO +5V +15v +5V +5V FO +5V +15V +5V VIN +5V CMIN 7 THR 6 R-C 5 IOUT 1 REFI 2 FOUT 3 GND 4 VCC 8 U2 LM331 100.0 3 4 5 621 M1 MPX4115 R4 10k R222K R312K RL 100K CL1uF RIN100k CT 0.01uF CIN 0.1uF RT 6.8k R5 51k C7 50pF C1 1nF XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 X1 CRYSTAL C1 22pF C2 22pF 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U2 74LS373 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U3 74LS373 C3 10uF R1 10k VI 3 VO 1 GND 2 U4 78L05 C4 10uF C5 0.01uF 图附 1 11 参参 考考 文文 献献 1 何立民单片机初级教程M北京：北京航天航空大学出版社，2004 2 赵建领51 单片机开发与应用技术详解M北京：电子工业出版社,2009 3 高金源计算机控制技术M北京：北京航空航天大学出版社，2001 4 张晋格计算机控制原理与应用M北京：电子工业出版社，1995 5 张俊谟单片机的发展与应用J电子制作，2007，(8)：2324 6 黄一夫微型计算机控制技术M北京：机械工业出版社，1998 7 熊静琪计算机控制技术M北京：电子工业出版社，2003